(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料で形成されたドナー基板（１８）から受取基板の上に層を移転する方法であって、
ａ）ドナー基板（１８）の前面をイオンビームでボンバードすることによってイオン注入を実施して、前記基板の上部に移転される層を画定する微小空洞またはプレートリットの層を前記基板内の既定の深さに形成するステップと、
ｂ）前記ドナー基板の前記前面を前記受取基板の一方の面と接合するステップと、
ｃ）前記ドナー基板内に形成された微小空洞またはプレートリットの前記層で分割することによって分離して前記ドナー基板から分離された前記層を前記受取層の上に移転するステップと
を含み、
前記ドナー基板は、冷却ガス（１４）を前記ドナー基板（１８）の裏面にわたって拡散できるガスケットを含むプラテンおよび前記プラテンの下部に循環回路を備えた支持体（１０）によって保持され、
ステップａ）の間、前記冷却ガスは既定の圧力に維持され、前記ドナー基板（１８）は、冷却ガスにより３０℃未満の最大温度偏差で２０℃から１５０℃の範囲の平均温度に維持され、前記冷却ガスよりも温度が高く、前記冷却ガスによって冷却された前記ドナー基板よりも低い温度の冷却液（１２１）を前記循環回路（１２０）に循環させることにより前記プラテンを加熱することを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップａ）の間、前記イオンビームの電力は５００Ｗ以下の値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却ガス（１４）は、少なくともヘリウムおよび水素から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却ガス（１４）は、前記ドナー基板（１８）の前記裏面の中心に向かって拡散されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
冷却ガス（２４）は、ドナー基板（２８）の裏面の周辺部に向かって拡散されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
ステップａ）の間、前記ドナー基板（１８）は、前記ドナー基板の裏面に面する平面を有する支持体（１０）によって維持されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記冷却液（１２１）は８℃から４５℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ドナー基板（１８）は、少なくともシリコン、ゲルマニウムおよびシリコン−ゲルマニウムから選択される半導体材料であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
ステップａ）の間、２つの化学種の共注入が実施されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）技法を用いる層移転によってＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）型またはＳｅＯＩ（セミコンダクタオンインシュレータ）型の構造体を生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）技法の実施の一例は、特許文献１、または、非特許文献１に具体的に記載されている。この技法では、以下の
ａ）（例えばシリコンの）ドナー基板の一方の面を水素型または希ガス型（例えば、水素および／またはヘリウム）の軽いイオンでボンバードして、基板中にこれらのイオンを十分な濃度で注入するステップであって、注入された区域では、微小空洞またはプレートリット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）の形成によって脆弱な層を生成する、ステップと、
ｂ）ドナー基板の前記面を受入基板と密接に接触（接合）させるステップと、
ｃ）ドナー基板から受入基板上へ層を移転することによりＳＯＩ型構造体を得るために、注入された区域でドナー基板を劈開／破断して、この基板の注入された面と注入区域との間に位置する部分を受入基板上に移転するステップとを用いる。
【０００３】
しかし、このような移転の後では、移転された層もドナー基板も表面粗さを呈する。
【０００４】
特許文献２は、ＳＯＩ型基板を製造する方法を記載しており、この方法は、一変形では以下の
後の基板破断温度よりも高い温度で実施される、ソース基板に注入するステップと、
このソース基板を受入基板上に接合し、分割アニールの手段によって注入区域のところで破断するステップとを含む。
【０００５】
この文献では、注入が４５０℃よりも高い温度で実施された場合には、損傷を受ける区域の厚さ、および破断後の粗さを低減できることを提示している。
【０００６】
さらに、注入されているウェハを５０℃より低くなるまで冷却することも知られている。一般に注入機（注入デバイス）では、ウェハは支持体の上に配置される。支持体としては２つのタイプがある。
【０００７】
第１のタイプの支持体は「バッチ」型注入機で見られ、ウェハは、バッチ内に配置され注入される。この「集合」型の注入では、ウェハは、回転駆動される大型ホイールの周辺部に沿って配置される。すなわちウェハは、遠心力によって支持体上に保持される。
【０００８】
第２のタイプの支持体は個別「単一ウェハ」型注入機で使用され、ウェハは、個別に連続して配置され注入される。この支持体（単一ウェハ注入機では「チャック」と呼ばれる）は通常、ウェハが局部的に上に置かれている突き出た要素（アイレット）を有する。ウェハは、静電力によってチャック上に保持され、そのため「静電気チャック」（ＥＳＣ）という名称がある。
【０００９】
注入時、注入される化学種の流れは、ウェハを高温にする傾向がある。既知の方法で、ウェハは、注入時に冷却液をウェハ支持体中に循環させることによって冷却することができる。さらに、単一ウェハ注入では、ガスをウェハとチャックの間に導入してこれらの要素間に最適な熱伝導性を与え、それによってウェハの冷却をさらに改善することができる。
【００１０】
しかし、ウェハをその注入中に冷却しても、移転された層の表面粗さの改善および厚さの均一性は、依然として限定される。しかし、ＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）技法（注入＋破断）を用いる場合には、表面粗さが可能な限り小さく、可能な限り均一なウェハを生産できることが重要である。移転された層の厚さの均一性のばらつきを最小にすることも重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５３７４５６４号明細書
【特許文献２】米国特許第６１５０２３９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０２５９５１１号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】A.J.Auberton-Herve et al, "Why can SmartCut（商標） change the future of microelectronics?", Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, vol10, no1, 2000, p131-146
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、移転される層の分離後（破断後）の層の表面粗さおよび厚さのばらつきの両方を低減し均一にすることができる解決策を提供することである。
【００１４】
この目的のために、本発明は、例えばシリコンなどの半導体材料で形成されたドナー基板から受取基板の上に層を移転する方法を提供し、この方法は、
ａ）ドナー基板の前面をイオンビームでボンバードすることによってイオン注入を実施して、基板の上部に移転される層を画定する微小空洞またはプレートリットの層を基板内の既定の深さに形成するステップと、
ｂ）ドナー基板の前面を受取基板の一方の面と接合するステップと、
ｃ）ドナー基板内に形成された微小空洞またはプレートリットの層で分割することによって分離してドナー基板から分離された層を受取層の上に移転するステップとを含み、
ステップａ）の間、ドナー基板は、３０℃未満の最大温度偏差で２０℃から１５０℃の範囲の平均温度に維持されることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、以下で詳細に説明するように、ドナー基板の温度をこれらの値に維持することによって、移転される層の粗さの程度および厚さの均一性が著しく改善される。
【００１６】
本発明の一態様によれば、注入ステップの間にイオンビームの電力を５００ワット（Ｗ）以下に、好ましくは３００Ｗ以下に調整することによって、３０℃未満の最大温度偏差で２０℃から１５０℃の平均温度範囲を得ることができる。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、ステップａ）の間、ドナー基板は、冷却ガスをドナー基板の裏面にわたって拡散できる支持体によって保持され、前記冷却ガスは既定の圧力に維持される。
【００１８】
冷却ガスは、ヘリウムまたは水素など、高い熱伝達係数を有するガスが好ましい。
【００１９】
冷却ガスは、ドナー基板の裏面の中心に向かって拡散させることができる。
【００２０】
基板の冷却の均一性を改善するために、冷却ガスは、ドナー基板の裏面の周辺部に向かって拡散させることもできる。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、支持体は、ステップａ）の間、冷却液が８℃から４５℃の範囲の温度で中に循環される循環回路も備える。
【００２２】
本発明のさらに別の態様によれば、ドナー基板の裏面に面し、裏面との間に冷却ガスが循環する支持体の表面は平面である。すなわちこの表面は、ガスによって得られる冷却の均一性を変更し得るいかなるチャネル、溝、通路または他の形状も備えない。このようにして、注入中の基板の温度の空間的偏差が低減される。
【００２３】
ドナー基板は、シリコン、ゲルマニウムおよびシリコン−ゲルマニウムなどの半導体材料である。
【００２４】
本発明の特徴および利点は、添付の図面に関する非限定的な例示による以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】注入機で使用されるイオンビームの流れを測定するためのデバイスを示す簡略図である。
【図２】本発明の一実施例による注入用ウェハ支持デバイスの断面図である。
【図３】本発明の別の実施例による注入用ウェハ支持デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、脆弱な面によって移転される層を画定するためにイオンをドナー基板に注入する少なくとも１つの注入ステップと、注入されたドナー基板を受入基板上に接合する接合ステップと、熱処理（分割アニール）を施すことに伴い得る分離応力を印加する、および／または注入されたイオンが集中する層にブレードを挿入するなどの機械的分離応力を印加する、および／または引張り応力を印加する、および／または適切な電力および周波数の超音波またはマイクロ波を印加する印加ステップとを用いる、ＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）技法におけるような任意の層移転法に適用可能である。
【００２７】
ドナー基板またはウェハは、例えばシリコンなどの半導体材料の薄片の形をしている。
【００２８】
イオン注入は、イオンビーム発生器および注入チャンバを主に備え、よく知られている機器または注入装置を用いて実施され、注入チャンバ内では半導体ウェハが、チャンバ内の固定位置から放出されたイオンビームでボンバードされる。一般にウェハは、その表面全体をイオンビームでスキャンできるように、かつ／またはいくつかのウェハを連続してスキャンできるようにするために、移動支持体の上に装着される。
【００２９】
本発明の原理は、ドナー基板を構成するウェハ中に存在する平均温度および空間温度の偏差を、イオンがドナー基板に注入されている間低減させることにあり、これには、分割後の移転される層の表面粗さ、および厚さのばらつきの両方を低減させ、均一にする効果がある。
【００３０】
しかし、知られている冷却手段は、移転される層の粗さおよび均一性を改善することに関しては有効性が限定されている。実際、それらの冷却手段は全体の温度を低下させることができるが、本出願人は、ウェハ表面において温度が均一ではないことを観察した。特に、ウェハが支持体の上に直接置かれるのではなく、アイレットなどの突き出ている要素の上に置かれた場合に支持体とウェハの間に空洞が存在すると、これらの空洞のところで局部的な温度上昇を招く。本出願人は、第１には温度の均一性と、第２には移転される層の粗さおよび厚さの均一性との間に、ある関係が存在することを確証した。本出願人は、
移転される層の厚さが注入中のウェハの温度に依存する。すなわち、注入されるウェハの温度の均一性が不足すると、移転される層の厚さの均一性が不足することになり（空間変動）、
移転された面の最初の仕上げステップ（ＲＴＡ）後の粗さも、注入されるウェハの温度に依存する。すなわち、注入されるウェハの温度の均一性が不足すると、移転される層の粗さの均一性も不足することになる（空間変動）ことを観察した。
【００３１】
より詳細には、本出願人は、注入中のウェハの温度が、ウェハの最も高温の箇所と最も低温の箇所の間で３０℃の最大温度偏差（ウェハ表面で測定された径方向偏差）で、２０℃から１５０℃の範囲の平均温度に維持される場合に、移転される層の粗さおよび厚さの均一性が著しく改善されることを確認した。本発明によれば、ドナー基板の、そこにイオンが注入されている間の温度は、いくつかの方法で制御することができる。
【００３２】
第１の手段は、ドナー基板の前面をボンバードするのに使用されるイオンビームの電力を低減することからなる。注入中、ウェハで受け取られるイオンビームは、ウェハを高温にする傾向がある。
【００３３】
ビームが強いほど、ウェハに伝達される電力によりウェハが高温になる危険が大きくなる。電力Ｐは、注入電流Ｉに加速電圧Ｕを乗算したものと定義され、すなわちＰ＝ＵＩである。
【００３４】
そのため、イオンビームの電力が低減された場合、イオンビームによって引き起こされるウェハの加熱は抑えられることが分かる。本発明によれば、イオンビームの電力は５００Ｗまでに制限することができ、これにより、注入される基板を１５０℃の平均温度以上に加熱することが回避される。注入中に基板の平均温度をさらに低減する、具体的には２０℃から１５０℃の範囲の平均温度まで低減するために、イオンビームの電力は上記の制限値より低い値、例えば３００Ｗの制限値まで低減する必要がある。
【００３５】
イオンビームの電力値とウェハがそこまで加熱される温度との間には、下記の簡略化された式で具体的に表すことができる関係があり、
【００３６】
【数１】
0005615798.tif 000002
【００３７】
ここで、
ΔＴs（ｔ）は温度偏差、
ＰBは上記で定義されたビーム電力、すなわちビーム電流に加速電圧を乗算したもの、
ＡBはビームでスキャンされる全表面積、
ｋはウェハの熱伝導率、
ρはウェハの密度、
Ｃpは比熱
である。
【００３８】
注入機のイオンビーム電力は、注入中にイオンビームによって生成される電束を測定することによって制御される。図１は、イオンビーム電流を測定する手段を備えた注入機の簡略図である。図１で分かるように、注入中、半導体材料のウェハ３０の面３０ａは、変位軸３１に沿って固定イオンビーム４０を通り過ぎて移動することによって、イオンボンバードされる。既知の方法では、イオンビーム４０は、高電圧発生器４１によって供給されるイオン源（図１には示さず）から生成される。
【００３９】
イオンビーム電流は、ビームストップ（ｂｅａｍｓｔｏｐ）またはファラデー測定装置を使用して測定され、この装置は一般に、イオンビーム４０を受け取る黒鉛ディスク５０で構成され、ディスク５０は電流計５１に接続される。イオンビーム４０が荷電イオン（例えばＨ+イオン）から成るので、黒鉛ディスク５０を介してグランドに流れる電束は、ビーム４０によって供給されるイオンの流れに等しい。このため、電流計５１はイオンビーム電流４０を直接測定することになる。このようなビーム電流測定手段を備える注入機は、特許文献３に具体的に記載されている。
【００４０】
本発明によれば、イオンビーム電力を既定の制限値（５００Ｗ以下）に制限するために、生成されたビーム電流の測定値を用いてイオンビーム電力を制御する。
【００４１】
注入機の加速電圧値は直接調整される。すなわち、加速電圧値とイオンビーム電流値の両方が分かると、注入中いつでもイオンビーム電力を計算し、イオンビーム電流に作用することによってイオンビーム電力を制御または調整することが可能である（Ｐ＝ＵＩ）。
【００４２】
イオンビーム電力は、既定の基準電力と、ビームストップ電流測定値および加速電圧値に基づいて出口で決定された電力との関数として算出される、電圧および／または電流制御信号を発生器４１に供給する調整ループを使用して制御することができる。
【００４３】
発生器電圧値は、移転される層の平均厚さを決定する所望の注入ピーク深度によって課することができる。このような状況のもとで、電力は、注入電流だけを用いて調整される。
【００４４】
本発明は、基板内の、その注入中の平均温度および温度差を低減する他の手段も提案する。以下で説明するこれら他の手段は特に、イオンビーム電力の低減と組み合わせて用いることができ、特に注入期間があまりに増加しないようにする。注入量は、フルエンス「ｆ」で定義され、次式による単位表面積当たりに注入されるイオンの総数に一致する。
【００４５】
【数２】
0005615798.tif 000003
【００４６】
ここで、
Ｉはイオンビーム電流、
ｔは注入期間、
ｑは電子の電荷、
Ａは注入表面積
である。
【００４７】
イオンビーム電流を低減することによって電力が低減される場合、注入期間は、同じ注入イオン総数を保つために増やされなければならない。結果として、注入中に基板内の平均温度および温度差を低減できる１つまたは複数の手段を用いることで、注入電流を低減することがもはや基板の加熱を低減するための唯一の要素ではなく、その結果として、この電流を、あまりに大幅に注入期間を増大させない値に維持できるということになる。
【００４８】
これら他の冷却手段の中で、本発明は、冷却ガスを使用することを提案する。
【００４９】
図２は、イオン注入中にウェハを保持し位置決めすることができるウェハ支持デバイス１０の一実施形態を示す。支持デバイス１０は円形プラテン１３を備え、処理されるべきウェハ１８がその上に配置される。ウェハ１８は、プラテン１３で発生する静電力によって保持される。プラテン１３は円形ガスケット１３１を含み、その上にウェハ１８が置かれ、それによって凹部１３０がウェハ１８とプラテン１３の間に形成される。プラテン１３の中心には、冷却ガス１４を導入するための管１１０に接続された入口１３２が含まれる。支持体は、ウェハ１８の裏面に面する前記支持体の平面に配置された小さなアイレットまたはスペーサ１３３を含むこともできる。しかし、アイレット１３３は、それが冷却ガスの循環を妨害せず、結果としてウェハの温度の均一性を乱さないように、可能な限り小さくなっている。
【００５０】
ガスはプラテンの中心に導入され、ウェハ１８とプラテン１３の間の部分的封止により、部分的に縁部を経由して排気される。この部分的封止は、具体的には、多孔質円形ガスケット１３１、すなわち冷却ガス１４に対してある程度の透過性を有するガスケットを使用して実現される。ガスの循環は実際には望ましくないが、ＥＳＣ技術によって課される。
【００５１】
本発明の一態様によれば、冷却ガスは、高い熱伝達係数を有するヘリウムまたは水素などのガスが好ましく、これは、ウェハと支持体の間に良好な熱伝達が得られることを意味し、この結果、全体の温度は低くなるとともに、例えば窒素を用いるよりも均一になる。
【００５２】
ウェハの温度を空間的に均一にすることのさらなる改善を、凹部１３０内で冷却ガスを既定の圧力に維持することによって実現することができる。凹部１３０内、すなわちウェハ１８の裏面と支持体１３の間で冷却ガスの圧力を制御することによって、ウェハと支持体の間に規定の量の冷却ガスを有すること、およびウェハの冷却温度をレベルおよび均一性に関してよりよく制御することが可能である。圧力が平衡状態になった後、ウェハ縁部での損失を補償して圧力を一定に保つには、少ない供給流れで十分である。
【００５３】
本出願人は、ウェハの裏面の中心に向けられた冷却ガスがあると、注入中にウェハが、ウェハの中心（最も低温の区域）と縁部（最も高温の区域）の間に径方向の温度傾斜を有し得ることを観察した。本出願人は、ウェハの粗さおよび厚さも測定し、移転された層の粗さおよび厚さの均一性も、ウェハの中心から縁部まで変化することを観察した。すなわちこの変化は、層の粗さおよび厚さに及ぼす径方向温度偏差の影響を示す。
【００５４】
径方向温度傾斜を低減するために、支持体は、注入中にウェハを冷却するために通常使用される温度よりも好ましくは（一般に約８℃だけ）高い温度まで加熱される。この目的のために、図２に示されるように、支持デバイス１０は回路１２０も備え、この回路は、冷却流体１２１を循環させ、支持デバイス、より具体的にはプラテン１３を既定の温度に維持することができる。
【００５５】
本発明では、冷却ガスがウェハの中心に拡散されるとき、支持体は、冷却流体１２１を回路１２０内に循環させることによって、好ましくは約４５℃の温度に維持され、これは、ウェハの中心と縁部の間の温度傾斜を低減できることを意味する。明らかに、ウェハの温度を均一にする唯一の手段が４５℃まで加熱された支持体である場合、前述のビーム電流を低減するような他の手段がなければ、ウェハの平均温度は、その温度より下に低下させることができない。
【００５６】
図３は、ウェハ支持デバイス２０の別の実施形態を示し、これは、冷却ガスをウェハの中心からではなくその周辺部から拡散させることができる点で、図２に示されたものと異なる。
【００５７】
図２の支持デバイスと同様に、デバイス２０は、静電力によってウェハ２８を保持する円形プラテン２３と、ウェハとプラテンの間に配置されて凹部２３０を生成する円形ガスケット２３１（冷却ガスをわずかに透過する）とを備え、凹部２３０により、冷却ガス２４が導入され、それがウェハ２８の裏面とプラテン２３の間で循環することが可能になる。冷却ガスの拡散を可能にするために、冷却ガス２４用の入口オリフィス２３２が、ガスケット２３１の内側周辺部に近接して環状に配置される。入口オリフィス２３２は、冷却ガスを導入するために管２１０に接続される。支持体は、ウェハ２８の裏面に面する前記支持体の平面に配置された小さなアイレットまたはスペーサ２３３を含むこともできる。
【００５８】
したがって、図３に示されるように、冷却ガス２４は入口オリフィス２３２を経由して、すなわちウェハ２８の縁部に近接して、凹部２３０内部に拡散される。図２の支持体と同様に、ガスの一部が周辺部で漏れる。ウェハの周辺部でガスを導入すると、縁部を介した漏洩による圧力低下が局部的に補償される。これにより、ウェハ上に実現される冷却が全体として改善される。
【００５９】
図２に提示されたウェハ支持デバイスと同様に、冷却ガスは、高い熱伝達係数を有するヘリウムまたは水素などのガスが好ましい。さらに、冷却ガスは、ウェハと支持体の間に規定の量の冷却ガスを有するように凹部１３０、２３０内で既定の圧力に維持して、ウェハの温度のレベルおよび均一性の制御を改善することもできる。
【００６０】
本発明のさらに別の態様によれば、本出願人は、移転される層の粗さおよび厚さの均一性に関して、ウェハ支持体の構造がウェハの温度の均一性に影響を及ぼすことを観察した。すなわち、例えばガス循環チャネルを備える支持体では、これらのチャネルの上に位置するウェハの区域は、ウェハの残り部分よりも温度が低いことが観察された。結果として、それらの区域内では、移転された層の粗さおよび厚さの均一性が異なる。
【００６１】
したがって、本発明によればさらに、ウェハは、プラテンを備える支持デバイス上に保持され、このプラテンには、ガスの循環用のいかなるチャネル、溝、通路もなく、ウェハの裏面に面する表面は平面である。このような平面では、ウェハの裏面と支持体の間で循環する冷却ガスの流れはより均一になり、これは温度差を最小にできることを意味する。このようにして、ウェハと支持体の間で冷却ガスが循環する凹部により、ウェハと支持体の間でほぼ一定の熱伝達を保証することができる。
【００６２】
本発明によれば、注入中にウェハをその平均温度が２０℃から１５０℃の範囲に維持されるように冷却することによって、その粗さが著しく改善される。ウェハの平均温度は、５０℃から８０℃の範囲、さらには６０℃から７０℃の範囲に維持されることが好ましい。本出願人は、これらの温度範囲においては、移転された層が最小の粗さを有することを観察した。より正確には、注入され分割されたドナー基板またはウェハからの半導体材料（シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅなど）の層の移転後、かつ平滑化または仕上げのステップの後に、本発明の移転方法は、移転された層の厚さの均一性を改善し、その破断後の表面粗さを低減し均一にすることができる。よく知られているように、イオン注入は、単一の化学種でも複数の化学種（共注入）でも実施することができる。本発明により注入中にウェハの平均温度を制御すると、例えば水素とヘリウムの共注入など、複数の化学種の共注入によってウェハまたはドナー基板が脆弱にされる場合に、付加的な利点が得られる。
【図１】
0005615798.tif 000004
【図２】
0005615798.tif 000005
【図３】
0005615798.tif 000006